意识定律

唐孝威

(浙江大学物理系交叉学科实验室，浙江大学语言与认知研究中心，杭州 310027)



应用心理学

意识定律

唐孝威*

(浙江大学物理系交叉学科实验室，浙江大学语言与认知研究中心，杭州 310027)

基于意识的经验事实提出意识三定律。第一定律阐述意识的神经四要素。第二定律说明意识涌现的必要和充分条件。第三定律给出意识体验强度与相应脑区激活水平之间相关性的心脑关系式。

意识 定量研究 神经四要素 心脑关系式

意识是自然科学的基本问题之一。近年来脑科学实验技术的发展，使得有可能对意识进行定量的研究。本文基于意识的经验事实，提出意识三定律。第一定律阐述意识的神经四要素。第二定律说明意识涌现的必要与充分条件。第三定律给出意识体验强度与相应脑区激活水平之间相关性的心脑关系式。

1 意识第一定律

意识第一定律是意识的神经四要素定律。我们曾经从神经生物学层面阐述脑的四个功能系统(唐孝威,黄秉宪,2003)。基于对意识的神经网络的探讨，涉及意识的四个神经生物学的要素，即觉醒活动、信息加工、注意增强、全局广播。

觉醒是意识的要素之一。意识的觉醒程度和脑干等基础的脑结构有关。脑内意识觉醒的支持系统的活动度用参数α来表示。α是关于意识觉醒程度的指标，它是可以量化的。平时我们讲觉醒的程度就用α来表示。

意识的内容涉及脑内的信息加工。意识的信息加工由大脑皮层一些专一性的脑区负责，它们分别处理各种特定的信息，比如视觉里某一种颜色的加工，或运动里某一种动作的加工。不同种类用i表示，i可以从1到n，有很多种，不同的内容由不同的对应脑区加工。信息加工时，大脑皮层专一性脑区激活。脑内信息加工的专一性脑区的激活水平用参数A来表示。

注意增强也是重要的机制。注意不同于意识，但是注意的增强是意识的一个要素。脑内注意控制系统对脑区激活的增强系数用参数γ来表示。脑内注意对脑区激活有一个增强的过程，这个过程对加工的信息进入意识是必需的。

加工的信息还必须进到脑内全局广播。Baars(1997)和Dehaene(2014)的全局广播理论指出，意识活动要有大量的反馈的过程。Edelman(2000)也讲信息的再入(reentry)过程。Humphrey的意识理论(2011)也强调回路(loop)。在丘脑、前额叶和顶叶间有很多来回的信息的交流，所以只是信息加工脑区参与还不够，还要进入这个回路，要有全局广播的机制，这是比较重要的。Dehaene(2014)指出，全局广播系统是一个大范围的活动，这是一种信息的交流和整合，它的活动在脑成像和脑电中都会有反映。脑内意识全局传播系统的全局传播度用参数β来表示。

第一定律指出，神经四要素并不是独立无关的，它们通过各种相互作用而紧密联系，并协同活动。从神经网络来看，觉醒活动、信息加工、注意增强、全局广播，四个要素缺一不可。这几个部分要集成起来，只有一部分是达不到意识的。

2 意识第二定律

意识第二定律是意识涌现定律。意识不是静止的状态，而是不断变动着的动态过程。平常脑内大量的活动都是在进行着信息加工，它们都是属于心智活动，而且无意识的活动的数量比有意识的活动的数量大很多，但是它们没有进入意识。通过许多脑区的激活和它们之间的相互作用，大脑皮层一定脑区的信息加工可以从无意识的加工转变为有意识的加工，这种动态的转变过程就是意识的涌现。当脑的活动满足了意识涌现的必要和充分条件之后，加工的信息就进入意识了。

意识涌现过程不是孤立的单个脑区的活动，而是脑内四个功能系统及它们内部多个脑区相互作用下发生的集体活动。因此要从多个脑区集体相互作用的观点来考察意识涌现的动力学过程。意识涌现定律是：在意识的神经四要素相关脑区的共同作用下，当大脑皮层加工信息的一定脑区的激活水平达到临界的意识阈值AC时涌现意识，这称为α-β-γ-A机制。引入的一些参数不同于要素本身，它们是从功能活动的角度表示相关脑系统的活动程度。

定量地说，脑内意识觉醒的支持系统的活动程度必须大于0。同时，全局的广播系统即传播系统中，信息全局广播的程度β必须大于0。当然脑内信息加工专一性脑区的激活水平要大于0，但是只大于0还是不够的，它的信息加工可能仍然是无意识的，不一定是有意识的，激活水平需要超过一个阈值AC，信息加工才能进入意识。考虑意识的涌现，就一定要考虑意识的阈值。脑内激活水平A经过注意的增强达到意识的阈值之后，才能进入意识，这个时候才能有意识的通达(access)。可以通过改变条件，观测受试者脑活动在达到意识阈值时，脑内出现全局广播的点火(ignition)信号，来确定意识阈值。总之，意识涌现的必要和充分条件是：α>0;β>0;γ>1;γA≥AC。AC是意识阈值，α>0就是有觉醒活动。β>0就是全局广播的系统回路要进行活动，丘脑、前额叶、顶叶回路里有很多信息的整合。γ就是注意增强，加工信息的专一性脑区原来的激活水平经过γ增强超过意识阈值，激活水平超过阈值后信息就进入意识。

综上所述，当一个脑区的激活水平低于这个脑区的意识阈值时，个体没有关于激活脑区信息加工内容的意识体验；当激活水平超过意识阈值时，并且有觉醒系统、调控系统和全局广播系统的脑区参与活动时，个体就有激活脑区的加工信息内容的意识体验，并且意识体验的强度随着脑区激活水平的提高而增加。在无梦睡眠的时候α=0。做梦的时候α值比较低，但是不等于0。在清醒但是无意识信息加工的时候，A>0;α>0;β=0;γ<1，即虽然因为个体是清醒的，α大于0，但是β没有作用，因为没有全局广播，虽然脑区有激活A，但是由于β等于0，所以信息加工不能进入意识。

3 意识第三定律

意识第三定律是有意识活动的心脑关系定律。意识问题的特殊性决定了我们不能只关注意识涌现的客观神经生物学条件，还需要重视有意识活动所带来的主观体验。第三人称的神经网络的激活是如何和我们第一人称的主观体验的内容和强度联系起来的呢？意识内容具有多样性。人有很多种不同类型的感知觉，例如听觉、视觉、触觉等，个体分别有不同内容的主观体验。并且在同一种感觉，比如视觉中，还可以细分为颜色视觉、空间视觉、形状视觉等很多不同的内容。因此，可以用i来表示某一种感觉的内容，并且i所包含的种类有很多，从1到n，有很多种。对于其中每种感官体验而言，主观体验都有内容和强度之分，体验的程度是讨论意识量化的前提。这种主观的体会和体验所对应的脑的基础，就在于大脑皮层专一性脑区的激活。脑区有不同的回路，它们分别加工不同的内容的信息，比如视觉里某一个视觉内容就会有专门的脑回路来激活和表征它。生理的脑的激活是可以量化的，因为有不同的激活的水平；而心理的主观的水平也是有不同的程度可以量化的。要把生理的客观的激活和心理的主观体验联系起来，把第三人称的描述和第一人称的描述联系起来。在这个联系的过程中，因为这两个方面涉及不同的量纲，特别是意识过程是一个相对的过程，所以把这两者联系起来时，需要应对的问题之一是量纲的变换。

我们把主观体验的强度叫C。用C来表示主观体验的强度，说明主观体验是有一定数量的，它的值有大有小。第一人称的体验是有大有小的，而且是可以量化的，并不只是等于1或者0。同时，C可以有不同的内容，对其中每一种特殊信息i来说，叫做Ci，Ci就是对特殊信息i的主观体验的强度。下面用一个简单的公式把C和A联系起来。当α>0和γA≥AC时(AC是意识临界阈值)，主观体验的强度和脑内信息加工专一性脑区的激活水平的关系式，即心脑关系式是：

C=a·A，

C是主观体验强度。A是信息加工脑区的激活水平。比例系数a和上述参数有关。

a=α·β·γ·ν(a包含了量纲转换，其中ν是量纲和单位变换系数)

C和A具有不同的量纲，所以中间需要用ν进行量纲的转换。

对某一种特殊的信息内容i的主观体验强度Ci，Ci=a·Ai。

早年Fechner在创立心理物理学时，提出过外部的心理物理学和内部的心理物理学等概念。外部物理世界各种物理刺激作用于人的感官，引起人的内部物理世界的活动，即脑的活动，从而产生内部心理世界的感觉体验。Fechner(1860)认为，人的感觉过程既涉及外部物理世界的物理刺激，又涉及内部物理世界的脑活动过程，还有内部心理世界的感觉体验。他认为，外部的心理物理学研究外部物理刺激强度和内部心理世界感觉体验强度之间的关系，而内部的心理物理学则研究内部物理世界即脑活动强度和内部心理世界感觉体验强度之间的关系。

我们在上面讨论的心脑关系，即人的脑区激活水平和人的主观体验强度的定量关系，就是内部的心理物理学的定量定律(唐孝威,2003)。

用S表示外界物理刺激强度，已知脑内信息加工的专一性脑区的激活水平A正比于logS，把这个关系代入上面C=a·A式中，可以得到C=klogS这个公式，它就是150多年前Fechner的公式。就此而言，我们的心脑关系式即内部的心理物理学定律是和Fechner公式即外部的心理学定律相互联系的。

意识是非常复杂的现象，本文只是一种简化的处理。有关参数的量化有待专门的研究。在量化参数的基础上，希望意识定律能得到实验检验。

唐孝威.(2003).论外部的心理物理学和内部的心理物理学.应用心理学,9(1),54-56.

唐孝威,黄秉宪.(2003).脑的四个功能系统学说.应用心理学,9(2),3-5.

Baars,B.(1997).Inthetheaterofconsciousness:Theworkspaceofthemind.New York:Oxford University Press.

Dehaene,S.(2014).Consciousnessandthebrain.New York:Penguin Group.

Edelman,G.,Tononi,G.(2000).Auniverseofconsciousness:howmatterbecomesimagination.New York:Basic Books.

Fechner,G.T.(1860).Elementsofpsychophysics.New York:Holt,Rinehart and Winston.

Humphrey,N.(2011).Souldust:Themagicofconsciousness.Princeton:Princeton University Press.

LawsofConsciousness

TANGXiao-wei
(Bio-X Laboratory Department of Physics and Center for the Study of Language and Cognition, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

Based on empirical facts about consciousness, three laws of consciousness were proposed. The first law states the neural four-ingredient of consciousness. The second law describes the necessary and sufficient conditions of emergence of consciousness. The third law gives the mind-brain equation of the correlation between the intensity of conscious experience and the activation level of the related brain area.

consciousness,quantitative study, neural four-ingredient, mind-brain equation

* 通信作者：唐孝威，男，中国科学院院士，e-mail:fmrilab@zju.edu.cn。

B84-0

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：1006-6020(2017)-03-0285-04